Nguyên tử rơi hé lộ pha lượng tử do trọng lực dự đoán

Nhóm nghiên cứu do Ron Folman dẫn dắt đã đo trực tiếp một độ lệch pha lượng tử do trọng lực Trái Đất gây ra trên các nguyên tử rubidi siêu lạnh. Với thiết bị mang tên Giao thoa kế Galileo Lượng tử (Quantum Galileo Interferometer), họ so sánh hai nhánh sóng vật chất kết hợp: một nhánh gần như đứng yên nhờ từ trường, nhánh còn lại được phóng lên rồi rơi tự do. Khi tái hợp hai nhánh, tín hiệu giao thoa thu được phù hợp, trong phạm vi độ chính xác của phép đo, với pha mà nguyên lý tương đương của Einstein dự đoán cho điều kiện đã khảo sát. 24

Nhóm đã đo điều gì?

Trong cơ học lượng tử, hạt cũng được mô tả như sóng. Khi một sóng tiến hóa theo thời gian, nó có thể tích lũy một đại lượng gọi là pha. Bản thân pha thường không quan sát được trực tiếp; nhưng khi hai sóng còn giữ được tính kết hợp được đưa trở lại chồng lên nhau, chênh lệch pha giữa chúng sẽ làm thay đổi mẫu giao thoa.

Trong thí nghiệm này, các xung vi sóng tạo ra trạng thái chồng chập gồm hai “lịch sử” chuyển động của nguyên tử ở gần một atom chip — con chip chuyên dụng tạo và điều khiển các trường cần thiết cho nguyên tử siêu lạnh. Từ trường bù tác dụng của trọng lực đối với một nhánh, trong khi nhánh kia đi theo quỹ đạo đạn đạo: được phóng lên, rồi rơi xuống tự do. Việc tái hợp hai nhánh biến chênh lệch pha hấp dẫn thành tín hiệu giao thoa có thể đo được. 24

Điểm then chốt là: pha dịch chuyển quan sát được nhất quán với dự đoán dựa trên nguyên lý tương đương. Nguyên lý này là một nền tảng trong lý thuyết hấp dẫn của Einstein, liên hệ một cách cục bộ giữa rơi tự do và tác dụng của trọng lực. 24

Vì sao đây là một phép thử đáng chú ý?

Đây không đơn thuần là theo dõi quỹ đạo rơi theo kiểu cơ học cổ điển. Đối tượng liên quan là một sóng vật chất lượng tử kết hợp, đồng thời đi theo hai đường khả dĩ. Vì thế, thí nghiệm kiểm tra cách trọng lực liên hệ với sự tiến hóa lượng tử và giao thoa của nguyên tử.

Kết quả cho thấy, với nguyên tử rubidi siêu lạnh trong trường trọng lực yếu của Trái Đất, diễn biến lượng tử đo được phù hợp với dự đoán từ nguyên lý tương đương. 24 Nó tạo thêm một cầu nối thực nghiệm giữa hai khuôn khổ thường được xem là khó dung hòa: cơ học lượng tử chi phối trạng thái chồng chập và giao thoa của nguyên tử, còn trọng lực tạo ra chênh lệch pha giữa các đường đi.

Điều nghiên cứu chưa chứng minh

Không nên diễn giải kết quả này như sự thống nhất giữa cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng. Thí nghiệm không chứng minh trọng lực đã được lượng tử hóa, không phát hiện graviton, cũng không thể phân định dứt khoát giữa một lý thuyết trọng lực về bản chất là lượng tử với một lý thuyết trọng lực cổ điển. 23

Một hướng trực tiếp hơn để khảo sát bản chất lượng tử của trọng lực là tìm bằng chứng rằng trọng lực có thể tạo ra vướng víu lượng tử giữa các vật thể đủ nặng, đủ cô lập. Các đề xuất thí nghiệm nhắm đến việc tạo chồng chập không gian ở những tinh thể kích thước micromet — có thể gồm nanokim cương chứa hệ spin — rồi kiểm tra xem tương tác hấp dẫn giữa chúng có tạo ra vướng víu hay không. 34

Giả thuyết sụp đổ của Roger Penrose liên quan thế nào?

Roger Penrose từng đề xuất một khả năng khác: một vật thể đủ nặng ở trạng thái chồng chập không gian tương ứng với các hình học không-thời gian khác nhau, và các khả năng đó có thể không duy trì tính kết hợp vô thời hạn. Trong các mô hình Diósi–Penrose liên quan, thời gian suy giảm dự kiến được gắn với chênh lệch tự năng lượng hấp dẫn giữa các phân bố khối lượng ở trạng thái chồng chập. 36

Đây là một giả thuyết về giới hạn có thể có của cơ học lượng tử chuẩn, không phải kết luận rút ra từ thí nghiệm với rubidi. Một nguyên tử đơn lẻ không phải loại hệ có khối lượng lớn và tách biệt đáng kể trong không gian, nơi các mô hình này được kỳ vọng dễ kiểm tra nhất.

Vì sao vật thể nặng hơn là chặng tiếp theo?

Các phép thử mô hình sụp đổ hướng đến việc tạo ra chồng chập không gian của vật thể nặng hơn rất nhiều so với nguyên tử đơn lẻ, rồi tìm sự mất tính kết hợp mà nhiễu môi trường thông thường không thể giải thích. Các tổng quan về thí nghiệm mô hình sụp đổ xem chồng chập không gian của vật thể nặng là chiến lược trực diện nhất, bởi những mô hình này có thể cấm các trạng thái chồng chập vốn được cơ học lượng tử chuẩn cho phép. 33

Các giao thoa kế tương lai dùng hạt trung mô — chẳng hạn nanokim cương được nâng giữ hoặc các tinh thể nhỏ khác — sẽ phải duy trì tính kết hợp trong khi kiểm soát chặt chẽ hiện tượng mất kết hợp thông thường do môi trường. Nếu hệ vẫn giao thoa vượt quá thời gian suy giảm mà một mô hình dự đoán, điều đó sẽ siết chặt các ràng buộc lên mô hình. Nếu xuất hiện sự mất kết hợp dư thừa, có thể lặp lại, với sự phụ thuộc như dự đoán vào khối lượng, độ tách và thời gian, đó sẽ là dấu hiệu đáng điều tra; tuy nhiên vẫn cần loại trừ nhiễu thực nghiệm và các nguyên nhân không liên quan đến trọng lực. 333436

Hiện nay, cách diễn giải chính xác nhất cho kết quả của Giao thoa kế Galileo Lượng tử là: trong chế độ đã được kiểm tra, một sóng vật chất lượng tử rơi tự do đã tích lũy pha hấp dẫn đúng như nguyên lý tương đương của Einstein dự đoán. 24